Stickstoffkreislauf Schema: Fixierung bis Denitrifikation erklärt

Der Stickstoffkreislauf (engl. nitrogen cycle) beschreibt, wie Stickstoff zwischen Atmosphäre, Boden und lebenden Organismen wandert und dabei bei jedem Schritt durch spezifische Bakterien chemisch umgewandelt wird. Weil Stickstoffgas zwar den größten Anteil der Atmosphäre ausmacht, in dieser Form aber für fast alle Organismen unbrauchbar ist, zeigt ein Schema zum Stickstoffkreislauf genau die Umwandlungsschritte, die nötig sind, bevor Stickstoff Leben unterstützen kann – und wie er am Ende wieder in die Luft zurückkehrt. Wer das Schema lesen will, sollte ein einzelnes Stickstoffatom durch fünf klar abgrenzbare Umwandlungen verfolgen, statt den Kreislauf als einen einzigen, vagen Kreis zu betrachten.

Was das Stickstoffkreislauf-Schema zeigt

Im Zentrum steht der Wechsel zwischen einer für Organismen unbrauchbaren atmosphärischen Form und mehreren nutzbaren, bodengebundenen Formen des Stickstoffs, angetrieben fast ausschließlich durch Bakterien statt durch rein physikalische oder chemische Vorgänge. Das unterscheidet den Stickstoffkreislauf von vielen anderen Stoffkreisläufen: Fast jeder Pfeil im Schema steht für einen konkreten bakteriellen Prozess, nicht für einen passiven physikalischen Vorgang wie Verdunstung oder Niederschlag. Die kreisförmige Anordnung ist kein reines Gestaltungsmittel, sondern spiegelt wider, dass Stickstoff erhalten bleibt – Atome wandern zwischen Reservoirs (Atmosphäre, Boden, lebendes Gewebe), die Gesamtmenge auf der Erde bleibt jedoch konstant.

Die fünf Prozesse im Stickstoffkreislauf-Schema

• Stickstofffixierung – wandelt atmosphärisches N2-Gas in Ammoniak oder Ammonium um, hauptsächlich durch stickstofffixierende Bakterien wie Rhizobium in den Wurzelknöllchen von Leguminosen, mit einem kleineren Beitrag durch Blitzeinschläge.
• Nitrifikation – ein zweistufiger bakterieller Prozess: Zunächst wandeln nitrifizierende Bakterien Ammonium in Nitrit um, eine zweite Bakteriengruppe wandelt dieses Nitrit weiter in Nitrat um, die Form, die die meisten Pflanzen aufnehmen.
• Assimilation – Pflanzen nehmen Nitrat oder Ammonium aus dem Boden auf und bauen es in Aminosäuren und Nukleinsäuren ein; Tiere gelangen an Stickstoff, indem sie Pflanzen oder andere Tiere fressen.
• Ammonifikation – Destruenten zersetzen abgestorbene Organismen und Ausscheidungen und geben den enthaltenen Stickstoff als Ammonium zurück in den Boden.
• Denitrifikation – denitrifizierende Bakterien, aktiv unter sauerstoffarmen Bedingungen wie staunassen Böden, wandeln Nitrat zurück in Stickstoffgas um und geben es an die Atmosphäre zurück, wodurch sich der Kreislauf schließt.

Ein Stickstoffatom durch das Schema verfolgen

Man liest ein Stickstoffkreislauf-Schema am besten, indem man den Weg eines einzelnen Stickstoffatoms verfolgt, statt die Pfeile ungeordnet abzuscannen: Zunächst zieht die Stickstofffixierung N2 aus der Atmosphäre in den Boden als Ammonium, dann hebt die Nitrifikation dieses Ammonium über Nitrit zu Nitrat an, danach zieht die Assimilation Nitrat in pflanzliches und tierisches Gewebe, anschließend gibt die Ammonifikation es beim Absterben von Organismen oder durch Ausscheidungen zurück in den Boden, und schließlich führt die Denitrifikation Nitrat als Gas zurück in die Atmosphäre. Die Pfeile zwischen Boden und Atmosphäre markieren die beiden „Ein- und Ausgänge" des gesamten Kreislaufs – Fixierung bringt Stickstoff hinein, Denitrifikation schickt ihn wieder hinaus –, während die Pfeile innerhalb von Boden und Biosphäre (Nitrifikation, Assimilation, Ammonifikation) Stickstoff unter Lebewesen zirkulieren lassen, ganz ohne Austausch mit der Atmosphäre. Schemata nutzen häufig Farben oder Pfeilrichtungen, um diese atmosphärischen Austauschschritte von den internen Recyclingschritten zu trennen, und wer diese Trennung richtig liest, versteht auch, warum fast jede Station des Kreislaufs Bakterien benötigt.

Typische Fehler beim Stickstoffkreislauf-Schema

Der häufigste Fehler ist die Annahme, Pflanzen und Tiere könnten atmosphärischen Stickstoff direkt nutzen – das können sie nicht, denn die Dreifachbindung von N2 ist zu stabil für den gewöhnlichen Stoffwechsel, weshalb die bakterielle Stickstofffixierung ein zwingender erster Schritt ist. Ein zweiter verbreiteter Fehler verwechselt Nitrifikation mit Denitrifikation, weil die Namen so ähnlich klingen: Nitrifikation baut Ammonium zu Nitrat auf (eine nutzbare Form), Denitrifikation baut Nitrat zu Stickstoffgas ab (eine unbrauchbare Form) – beide laufen in entgegengesetzte Richtungen und werden von völlig unterschiedlichen Bakterien durchgeführt. Ein dritter häufiger Fehler lässt Destruenten im Schema ganz weg, wodurch der Kreislauf unvollständig bleibt: Ohne die Ammonifikation, die Stickstoff aus totem Material zurück in den Boden bringt, gibt es keinen Weg, bereits in lebendem Gewebe gebundenen Stickstoff wiederzuverwerten.

Stickstoffkreislauf im Vergleich zum Citratzyklus

Beide Darstellungen tragen das Wort „Kreislauf" bzw. „Zyklus" im Namen, beschreiben aber Prozesse auf völlig unterschiedlichen Maßstabsebenen. Der Stickstoffkreislauf läuft über ein ganzes Ökosystem ab und verfolgt ein Element, das sich über Tage bis Jahre zwischen Atmosphäre, Boden und unzähligen Organismen bewegt. Der Citratzyklus (engl. Krebs cycle) dagegen läuft innerhalb eines einzelnen Mitochondriums ab und gewinnt Energie aus einem Molekül Acetyl-CoA innerhalb von Sekunden. Jenseits des gemeinsamen Namensbestandteils sind beide Prozesse unabhängig voneinander – der eine ist ein ökologischer Stoffkreislauf, der andere ein zellulärer Energiestoffwechselweg –, und die Verwechslung entsteht meist aus der Annahme, jeder biologische „Kreislauf" müsse auf einer ähnlichen Größenskala ablaufen.